В 2025 году Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку металл–органических каркасов. Трое ученых внесли ключевой вклад в создание «молекулярного конструктора», который предоставляет возможность создавать материал с пустотами, предназначенными для хранения газа или других веществ. Российские исследователи отмечают, что эта технология имеет широкий спектр практических применений, позволяя формировать множество различных структур. Среди них — материалы для очистки воздуха, получения воды в засушливых регионах, управления химическими реакциями, производства и целевой доставки лекарств, создания аккумуляторов для водородной энергетики, вычислительной техники и инновационных способов хранения информации.
Кристаллы с пустотамиЯпонец Сусуму Китагава, англичанин Ричард Робсон и иорданец Омар М. Яги стали лауреатами Нобелевской премии по химии 2025 года за создание металл–органических каркасов (МОК) — нового класса пористых полимеров. Эти материалы содержат в молекулах пустоты, способные впускать газы и иные вещества, что открывает возможности для решения разнообразных прикладных задач. Об этом 8 октября в Стокгольме проинформировал Нобелевский комитет.
«Металл–органические каркасы находят применение в производстве воды из воздуха в пустынных условиях, улавливании углекислого газа, безопасном хранении токсичных газов и катализе химических реакций. Их создание раскрывает перед химиками новые шансы для преодоления актуальных проблем» — говорится в официальном заявлении организаторов премии.
Исследования в данном направлении стартовали с Ричарда Робсона в 1989 году. Он провел эксперименты с атомными свойствами, соединив ионы меди с положительным зарядом и четырехлучевую молекулу с тетраэдрической структурой, центральный атом которой связывается с четырьмя соседними. В результате был получен пористый кристалл, аналогичный алмазу. Позже, в период с 1992 по 2003 годы, Сусуму Китагава и Омар Яги независимо друг от друга развивали методы молекулярного «строительства».
МОК созданы по принципу «молекулярного конструктора». Пустоты внутри их кристаллических решеток напоминают невидимые «комнаты», которые позволяют молекулам газа или жидкости проникать внутрь и свободно перемещаться, пояснил изданию «Известия» заведующий лабораторией Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН, руководитель экспертного совета РНФ и член научного комитета Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Валентин Анаников.
— Важность исследований лауреатов заключается в открытии совершенно новой архитектуры вещества — материалов, которые можно создавать «по заказу», подбирая свойства под конкретные запросы. Это открывает практически безграничные возможности для науки и техники XXI века — от энергетики и экологии до медицины и промышленности, — отметил он.
Помимо уже перечисленных сфер, металл-органические каркасы применимы в качестве катализаторов для изготовления полимеров и фармацевтических продуктов, для получения металлов с очень высокой степенью чистоты, добавок в смазочные масла, а также в создании материалов с потенциалом для фотокатализа и электроники, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин.
Производство лекарств и вычислительные устройстваСозданные структуры, за которые была вручена премия, представляют собой нечто среднее между органическими соединениями и металлами: атом металла соединяется с органическими молекулами, формируя единый каркас, объяснила заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ София Морозова.
— За счет контроля размера пор они способны ускорять химические реакции. Это позволяет применять их в роли аналогов ферментов (биологических катализаторов), но при значительно более простой архитектуре. На их базе можно, например, преобразовывать CO₂ в фармацевтические вещества, — отметила она.
Открытие МОК полностью изменило подход к созданию функциональных веществ, сместив акцент на «зеленую» химию и сильно повлияло на смежные области. Эти концепции дошли и до ведущих российских лабораторий, где их применяют в исследованиях на пересечении химии, фотоники и информационных технологий, поделилась директор Мегафакультета наук о жизни и НОЦ инфохимии Университета ИТМО Екатерина Скорб.
— Лауреаты доказали, что наиболее перспективные материалы можно создавать, проектируя не только атомный состав, но и объемную архитектуру. МОК достигают рекордных значений удельной площади поверхности — до 7000 м² на грамм, что сравнимо с площадью футбольного поля в чайной ложке порошка. Это имеет решающее значение для процессов адсорбции, — сказала она.
Данные вещества подходят для сбора и хранения водорода и метана, что полезно для экологичного транспорта на топливных элементах. В медицине они обеспечивают целевую доставку лекарств к определенным органам и тканям. В электронике МОК используются для создания высокочувствительных датчиков и новых видов проводников. Технологии уже внедряются в экспериментальных системах хранения газа в автомобилях, отметила эксперт.
В России также активно развивают направление металл-органических каркасов. По примеру, ученые ИТМО интегрируют методику в междисциплинарные проекты, охватывающие разные науки, включая разработку альтернативных устройств для обработки информации.
В МОК присутствуют нанометрические поры, что позволяет им функционировать как молекулярное сито — пропускать молекулы определенного размера и блокировать более крупные соединения, пояснил профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин.
— После первых опытов лауреатов структура и устойчивость металл-органических каркасов постоянно улучшались. Сегодня их применяют во множестве сфер: от солнечных батарей и накопления водорода до очистки промышленных отходов, — сказал он.
«Молекулярное лего»Доцент кафедры физической химии МФТИ Евгений Куликов отметил, что в природе существует множество неорганических веществ с такой структурой — например, каркасные алюмосиликаты цеолиты, давно используемые в катализе, умягчении воды и как молекулярные сита для сушки органики.
— Тем не менее, разработки лауреатов дают возможность создавать органические вещества с точно предсказуемым объемом и структурой внутренней «комнатной» части кристаллов, что открывает новые горизонты в прикладной химии — от очистки воды и воздуха до новых методов катализирования, от безопасного хранения водородного топлива до создания продуктов синтеза, — пояснил Евгений Куликов.
Российские исследователи хорошо знакомы с трудами Омара Яги, посвященными молекулярным каркасам, и долгое время ожидали вручения ему награды, рассказал руководитель проекта по гранту РНФ, доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов.
— У МОК может достигать площадь поверхности на уровне нескольких тысяч квадратных метров на грамм — сравнимо с лучшими активированными углями и некоторыми другими материалами. Используя разнообразные компоненты, их можно собирать как «молекулярное лего», создавая бесконечное число разнообразных структур с множеством применений. Это, вероятно, сыграло роль в решении Нобелевского комитета, — отметил он.
В перспективе такие вещества позволят разрабатывать новые катализаторы для водородной энергетики, например, для хранения водорода, а также новые материалы для элементов памяти вычислительных систем, добавил специалист.
Много лет назад стало ясно, что металл-органические каркасы представляют собой новое направление в химии, которое привлечет широкое внимание. Все трое лауреатов, удостоенных Нобелевской премии, полностью заслуживают награду, поскольку каждый совершил принципиально важные шаги в создании разнообразных металлоорганических каркасов, подчеркнул заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор Сколковского института науки и технологий, лауреат Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Евгений Антипов.